In fisica, è utile conoscere il più precisamente possibile come si manifestano i fenomeni di attrito, e non solo su scala macroscopica, come nell'ingegneria meccanica, ma anche su scala microscopica, in settori quali la biologia e le nanotecnologie. È abbastanza difficile studiare l'attrito su scala atomica dove prevalgono gli effetti non lineari.

Gli scienziati del QUEST Institute presso il Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) hanno presentato un sistema modello che consente di studiare gli effetti dell'attrito su scala atomica e le dinamiche di attrito simili a quelle che si verificano nelle proteine, Filamenti di DNA e altri nanocontatti deformabili. Questo sistema modello è costituito da ioni raffreddati al laser che si dispongono in cristalli di Coulomb. I ricercatori hanno effettuato esperimenti e simulazioni numeriche e ottenuto nuove scoperte fondamentali sui processi di attrito in questi sistemi atomici. Ora hanno presentato i loro risultati sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura .

La maggior parte degli oggetti macroscopici ha una trama ruvida da un punto di vista atomico. Anche se risultano lisci al tatto, mostrano asperità. In senso stretto, due oggetti non giacciono mai direttamente uno sopra l'altro, ma toccatevi solo a queste asperità. La struttura del reticolo atomico quindi non gioca alcun ruolo in questa interazione. Questo è abbastanza diverso per gli oggetti su scala atomica, come nanomacchine o biomolecole. "Qui, superfici atomicamente lisce si toccano. Anche la superficie svolge quindi un ruolo e deve essere presa in considerazione nei calcoli del modello, " spiega il fisico PTB Tanja E. Mehlstäubler. "Questi modelli spiegano anche fenomeni affascinanti come la superlubrificazione, dove l'attrito statico diventa quasi inesistente. Si verifica quando due superfici cristalline sono incommensurabili tra loro. Ciò significa che il rapporto tra le distanze reticolari delle superfici di scorrimento è irrazionale. Questo porta a non esserci un luogo in cui le due superfici sono una corrispondenza esatta l'una con l'altra".

Ci sono quindi ragioni sufficienti per misurare con precisione l'attrito su scala nanometrica e per studiarne la dinamica. Esiste già un potente strumento per misurare l'attrito, il microscopio della forza di attrito. "L'accesso sperimentale diretto alla dinamica di un sistema di attrito è quasi impossibile. I sistemi modello in cui gli atomi sono facilmente controllabili, sia temporalmente che spazialmente, sono quindi indispensabili. Questo ci consente di investigarli, " spiega Mehlstäubler. Un tale sistema è stato presentato ora dagli scienziati di PTB, insieme ai loro partner di Sydney. Gli ioni di itterbio tenuti in una trappola ionica vengono raffreddati mediante laser a tal punto (fino a pochi millikelvin) da formare un cristallo costituito da due catene. Gli ioni si dispongono in modo tale che il vicino più prossimo sia sempre il più lontano possibile. Questa struttura è chiamata zigzag.

Due di queste catene ioniche sono una rappresentazione molto accurata dei due partner di un processo di attrito e sono facili da osservare in modo molto preciso. Quando gli ioni itterbio vengono irradiati con luce la cui frequenza è vicina alla loro frequenza di risonanza, iniziano a diventare fluorescenti. "Siamo così in grado di osservare le singole particelle atomiche nel loro movimento attraverso la nostra ottica di imaging, " aggiunge Jan Kiethe, un fisico al PTB e l'autore principale dello studio. Una transizione tra due diverse fasi, causato dalla presenza di un difetto strutturale del reticolo, è stato qui osservato e analizzato. In uno dei regimi, l'attrito statico è l'attore principale nella dinamica del trasporto; nell'altro regime, è attrito radente.

Le dinamiche delle catene ioniche sono paragonabili a quelle delle catene molecolari come il DNA. Nel loro studio, gli scienziati hanno creato un sistema di modelli fisici per studiare la complessa dinamica dell'attrito in 1-D, Sistemi 2-D e 3-D con precisione atomica. Inoltre, questo sistema modello ha aperto la strada allo studio dei fenomeni di trasporto in regime quantistico.